הפרוטוקול הנוכחי מתאר זריעה והכתמה של מיטוכונדריה עצבית בתאים מיקרופלואידיים. שיפוע הלחץ הנוזלי בתאים אלה מאפשר טיפול סלקטיבי במיטוכונדריה באקסונים כדי לנתח את תכונותיהם בתגובה לאתגרים פרמקולוגיים מבלי להשפיע על תא גוף התא.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
הפרוטוקול הנוכחי מתאר זריעה והכתמה של מיטוכונדריה עצבית בתאים מיקרופלואידיים. שיפוע הלחץ הנוזלי בתאים אלה מאפשר טיפול סלקטיבי במיטוכונדריה באקסונים כדי לנתח את תכונותיהם בתגובה לאתגרים פרמקולוגיים מבלי להשפיע על תא גוף התא.
מיטוכונדריה הם הספקים העיקריים של ATP (אדנוזין טריפוספט) בתאי עצב. תפקוד לקוי של המיטוכונדריה הוא פנוטיפ נפוץ במחלות נוירודגנרטיביות רבות. בהתחשב בארכיטקטורה המשוכללת ובאורך הקיצוני של חלק מהאקסונים, אין זה מפתיע שהמיטוכונדריה באקסונים יכולה לחוות סביבות שונות בהשוואה למקביליהם בגוף התא. באופן מעניין, תפקוד לקוי של המיטוכונדריה האקסונלית לעתים קרובות קודם להשפעות על גוף התא. כדי ליצור מודלים של תפקוד לקוי של המיטוכונדריה במבחנה, התקנים מיקרופלואידיים מאפשרים טיפול במיטוכונדריה אקסונאלית מבלי להשפיע על המיטוכונדריה הסומאלית. שיפוע הלחץ הנוזלי בתאים אלה מונע דיפוזיה של מולקולות כנגד השיפוע, ובכך מאפשר ניתוח של תכונות המיטוכונדריה בתגובה לאתגרים פרמקולוגיים מקומיים בתוך האקסונים. הפרוטוקול הנוכחי מתאר זריעה של נוירונים מנותקים בהיפוקמפוס במכשירים מיקרופלואידיים, הכתמה בצבע רגיש פוטנציאלי לממברנה, טיפול ברעלן מיטוכונדריאלי, והניתוח המיקרוסקופי שלאחר מכן. שיטה רב-תכליתית זו לחקר הביולוגיה האקסונאלית יכולה להיות מיושמת על הפרעות פרמקולוגיות רבות וקריאות הדמיה, והיא מתאימה למספר תת-סוגים עצביים.
מיטוכונדריה הם הספקים העיקריים של ATP (אדנוזין טריפוספט) בתאי עצב. מכיוון שבריאות עצבית קשורה קשר הדוק לתפקוד המיטוכונדריה, אין זה מפתיע כי ויסות לא מתפקד של אברונים אלה נקשר עם הופעת מחלות נוירודגנרטיביות שונות, כולל מחלת פרקינסון1. יתר על כן, שיכרון מיטוכונדריאלי שימש בהצלחה למודל תסמיני פרקינסון בבעלי חיים2. הן במודלים של בעלי חיים והן במחלות אנושיות, מותם של תאי עצב מתחיל בחלקים הדיסטליים 3,4, מה שמרמז על כך שהמיטוכונדריה האקסונלית עשויה להיות רגישה יותר לעלבונות. עם זאת, הביולוגיה של המיטוכונדריה באקסונים אינה מובנת היטב בשל הקשיים הקשורים לטיפול ממוקד וניתוח של מיטוכונדריה אקסונאלית ללא הפרעה בו זמנית של תהליכים בגוף התא.
ההתקדמות האחרונה בטכניקות culturing של נוירונים מנותקים במבחנה מאפשרת כעת הפרדה נוזלית של אקסונים וגופי תאים באמצעות התקנים מיקרופלואידיים5. כפי שמתואר באיור 1A, המכשירים האלה כוללים ארבע בארות גישה (a/h ו-c/i), עם שני ערוצים המחברים כל זוג (d ו-f). הערוצים הגדולים מחוברים זה לזה בסדרה של מיקרו-ערוצים באורך 450 מיקרומטר (e). הבדלים מכוונים ברמות המילוי בין שני התאים יוצרים שיפוע לחץ נוזל (איור 1B) שמונע דיפוזיה של מולקולות קטנות מהתעלה עם רמת נוזל נמוכה יותר לצד השני (איור 1C, מודגם בצבע כחול טריפאן).
לאחרונה השתמשנו בהתקנים מיקרופלואידיים כדי לחקור את דרישות התרגום המקומיות במיטופגיה אקסונאלית, הסרה סלקטיבית של מיטוכונדריה פגומה6. בפרוטוקול הנוכחי מוצגים צעדים שונים לגרימת נזק מיטוכונדריאלי מקומי באמצעות טיפול סלקטיבי באקסונים באמצעות מעכב קומפלקס מיטוכונדריאלי III Antimycin A 6,7.
כל הניסויים בבעלי חיים בוצעו בהתאם להנחיות ולתקנות הרלוונטיות של ממשלת בוואריה עילית. הנוירונים הראשוניים הוכנו מעוברי עכברים מסוג E16.5 C57BL/6 משני המינים בשיטות סטנדרטיות כפי שתואר קודםלכן 6.
1. הרכבה של המכשיר המיקרופלואידי
2. זריעה ותחזוקה של נוירונים
3. הכתמה עם קרום המיטוכונדריה צבע רגיש פוטנציאלי
4. הדמיית תאים חיים
הערה: תמונות סטילס שהוצגו נרכשו במיקרוסקופ קונפוקלי של דיסק מסתובב, תוך שימוש במטרת טבילה של 40x NA 1.25 (ראו טבלת חומרים). נבחרו זמן חשיפה של 200 אלפיות השנייה ועוצמת לייזר של 10% עבור הערוץ האדום וזמן חשיפה של 500 אלפיות השנייה עבור Brightfield. עם זאת, מיקרוסקופים קונפוקליים רגילים או רחבים הפוכים יכולים לשמש גם כדי לחקור את עוצמת TMRE.
נוירונים ראשוניים בהיפוקמפוס גודלו במכשירים מיקרופלואידיים במשך 7-8 ימים לפני שהמיטוכונדריה הוכתמה בצבע הרגיש לממברנה (TMRE) במשך 25 דקות בשתי הערוצים. כפי שניתן לראות באיור 2A, זה הניב כתמים הומוגניים של המיטוכונדריה משני צידי המיקרו-גרובים, אך לא היה די בכך כדי לאזן את הכתמים במרכז המיקרו-גרובים. עם הוספת אנטימיצין A לצד האקסונאלי, המיטוכונדריה הסומלית שמרה על אות ה-TMRE (איור 2B ווידאו 1), בעוד שהפלואורסצנציה של TMRE אבדה מהמיטוכונדריה האקסונלית (איור 2C ווידאו 1). הסרטון צולם באמצעות מיקרוסקופ שדה רחב דיגיטלי משולב במלואו (ראו טבלת חומרים).

איור 1: התקנים מיקרופלואידיים מאפשרים בידוד נוזלי של אקסונים . (A) סכמת של המכשיר המיקרופלואידי ששימש במחקר זה. דיסק הסיליקון (קוטר 21 מ"מ) מתאים בקלות לצלחת של שש בארות. א) טוב בצד סומה, ב) כניסה של ערוץ בצד סומה, ג) טוב בצד האקסון, ד) ערוץ בצד סומה, ה) מיקרוגרובים, ו) ערוץ בצד האקסון, ז) יציאה של הערוץ בצד סומה, ח) טוב בצד סומה, א) טוב בצד האקסון. (B) פירוט סכמטי כיצד רמות הנוזל השונות יוצרות גרדיאנט לחץ נוזלי על פני המיקרו-ערוצים. (C) הדגמה של בידוד נוזלי על ידי הוספת כחול טריפאן לצד אחד של התא. שימו לב שבשל שיפוע הלחץ הנוזלי, הצבע הכחול אינו מתאזן על פני המיקרו-ערוצים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2: טיפול סלקטיבי באקסונים מבצע דה-פולריזציה של מיטוכונדריה אקסונלית אך לא של גוף התא. (A) מיקרוגרף מייצג המציג סקירה כללית של ההשפעה של צביעת TMRE בהתקנים מיקרופלואידיים. סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר. (B-C) המיקרוגרף המייצג מראה את אותו אזור בגוף התא ובתא האקסונאלי לפני ואחרי הוספת 20 μM Antimycin A (AA) לתא האקסונאלי. סרגל קנה מידה = 20 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
וידאו 1: השפעת טיפול אנטימיצין A על המיטוכונדריה באקסונים ובגוף התא. הדמיית תאים חיים של אובדן פלואורסצנציה של TMRE עם הוספת Antimycin A. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.
הפרוטוקול הנוכחי מתאר שיטה לזרוע ולתרבת נוירונים מנותקים בהיפוקמפוס במכשיר מיקרופלואידי לטיפול במיטוכונדריה אקסונאלית בנפרד. התועלת של גישה זו עם הצבע הרגיש לממברנה TMRE ומעכב III המורכב Antimycin A (כפי שהוכח בעבר7) מודגמת כאן, אך ניתן להתאים שיטה זו בקלות לצבעים מיטוכונדריאליים אחרים או לחיישנים מקודדים גנטית של פונקציות מיטוכונדריאליות המאפשרות קריאות מקומיות, מבוססות מיקרוסקופיה9. ניתן לגדל סוגי תאים עצביים אחרים גם בתאים מיקרופלואידיים, כגון נוירונים קליפתיים ראשוניים10 או תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (ipSC) שמקורם בתאי גזע11, מה שהופך פלטפורמה זו לכלי רב-תכליתי לחקר תפקוד המיטוכונדריה בניוון עצבי בסוג התא העצבי. הרכבה של התקנים מיקרופלואידיים היא חיונית להשגת חותם יעיל והיא מוסברת בקלות רבה ביותר על ידי צפייה בחוקר מנוסה מבצע את ההרכבה. הליך ההתוויה והטיפול במורד הזרם המתואר כאן נועד להיות מופתי וניתן להתאים אותו כך שיתאים לפרוטוקולים הקיימים כיום במעבדות המתאימות תוך שמירה על שיפוע הלחץ הנוזלי.
טכניקת הזריעה המתוארת כאן שונה מהפרוטוקולים שפורסמו ומתיאור היצרן, כאשר אנו מדלגים על השטיפות המוצעות של המכשיר המורכב ובמקום זאת זורעים ישירות את הנוירונים המנותקים לתוך התא היבש (סעיף 2). זה כבר ציין כי זה מקטין את מספר הנוירונים הדרושים, כפי שהוא מגדיל את הצפיפות של נוירונים בתוך הערוץ (e) ומגביל את התפשטות הנוירונים לתוך בארות הרחק microchannels. הזריעה היבשה נעזרת בהקשה על תחתית הצלחת (שלב 2.5), אשר עשויה להיות נחוצה או לא בהתאם לכוח שהופעל בעבר בעת הרכבת המכשיר.
עם זאת, קיימות מגבלות מסוימות בהליך זה. קיימת שונות מסוימת בהידוק האטם עקב הבדלים בכוח המופעל במהלך ההרכבה שעלולים להוביל לצמיחה מוגבלת דרך המיקרו-גרובים. כמו כן, לחות שנותרה יכולה להפריע להיווצרות החותם ולאפשר צמיחה אקסונאלית או אפילו נדידת תאים מתחת למכשיר. ניתן לזהות את שתי הבעיות בקלות לפני ההכתמה, מה שמוביל להרחקה של תאים פגומים מהניסוי.
המחברים מצהירים שאין אינטרסים מתחרים.
מחקר זה נתמך על ידי קרן המחקר הגרמנית (HA 7728/2-1 ו- EXC2145 Project ID 390857198) ואגודת מקס פלנק.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| צלחת תחתונה זכוכית 6 בארות | Cellvis | P06.1.5H-N | מכשיר סיליקון |
| Antimycin A | Sigma | A8674 | |
| B27 | Gibco | 17504044 | |
| EVOS M5000 מיקרוסקופ שדה רחב | Thermofischer Scientific | EVOS M5000 | מיקרוסקופ דיגיטלי רחב שדה משולב במלואו |
| Hibernate E | BrainBits | HE500 | |
| דיסק מסתובב הפוך קונפוקלי | Nikon | TI2-E + CSU-W1 | עם תא חממה |
| למינין | Invitrogen | L2020 | |
| מכשירים מיקרופלואידיים | XONA מיקרופלואידיקה | RD450 | |
| מדיום נוירובזאלי | Gibco | 21103049 | |
| פולי-D-ליזין | סיגמא | P2636 | |
| TMRE | סיגמא | 87917 |